基于802.11b协议的单向遥测信息传输方法

董 珩，孙发鱼，郑小燕，冯 欣，宋鑫霞

（1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065）

0 引言

弹箭遥测技术在常规武器的研制和发射试验中，可以实时监控弹箭内部的工作状态，测试并获取飞行试验过程中的各项数据，为评估和分析弹箭飞行过程中的故障提供依据，是提高试验效率、缩短研发周期必不可少的重要的测量手段。

目前，我国常规武器遥测的信息传输大都采用PCM／FM 体制［1］，该体制传输精度高，具有一定信息传输速率，所以得到了广泛的使用，其最大的传输速率达到2 Mb／s。现代常规武器在飞行试验中需要测试的弹道参数由过去的几十路增加到上百路甚至上千路，弹道参数越多，对传输速率的要求就越高，采用PCM／FM 体制进行信息传输，已不能满足现代常规武器飞行试验中对信息传输速率越来越高的要求［2］。针对国内常规武器飞行试验中对遥测信息传输更高速率的要求，本文提出了基于802.11b协议的单向遥测信息传输方法。

1 遥测传输系统的构成

1.1 PCM／FM 体制

PCM／FM 体制的模拟／数字转换采用集成电路实现。在同步信息被插入后，被测多路信号流成为PCM 串行数据流，进行调制载波以后被发射。接收端信号经过解调、位同步提取以及二进制码判决，获得重新建立的PCM 数据，原始被测信号被恢复。PCM／FM 体制的最高传输速率为2 Mb／s。PCM／FM 体制的原理框图的如图1所示。

图1 PCM／FM 体制原理框图Fig.1 Structure of PCM／FM

1.2 无线网络

无线网络是以叠加的层来组织的，其中一种重要的网络体系结构为TCP／IP 参考模型，该模型包括四层，自下而上分别为主机至网络层、互联网层、传输层、应用层。

主机至网络层中规定了主机必须通过某个协议连接到网络，其中该层无线网络协议有802.11a、802.11b和802.11g等。802.11b协议是普及最广的标准，大部分无线网络芯片都支持802.11b协议。802.11b协议的兼容性最好，802.11g 等新协议都与802.11b协议向后兼容［3］。802.11b协议的传输距离更远，是802.11a的7倍。

802.11b 协议可细分为逻辑链路控制子层（LLC）、介 质 访 问 控 制 子 层（MAC）和 物 理 层（PHY）。

802.11b协议在802.11的1 Mb／s和2 Mb／s速率下又增加了5.5 Mb／s和11 Mb／s两个新的信息传输速率［4］。任何应用程序、网络操作系统或者像TCP／IP、Novell NetWare都能够在802.11b协议上兼容运行。基于802.11b协议的无线网络工作在2.4GHz工业、科学和医疗（Industrial Scientific Medicine，ISM）频段，该频段为开放频段，不用特别申请，无需许可证。802.11b协议的物理层采用直接序列扩频（DSSS），同跳频扩频（FHSS）相比，其信息传输速率更高，传输距离比跳频扩频和红外物理层都要远，具有很好的可靠性，抗干扰能力也大为增强。802.11b协议采用BPSK 和QPSK 编码方式，大部分情况下传输速率可达到11 Mb／s 和5.5 Mb／s，只有在干扰太大、信噪比低于阈值时，信息传输速率会调整为2 Mb／s和1 Mb／s［5］，以保证设备间的通信质量。

传输层作用是允许发送端和接收端上的应用程序之间可以对话，传输层中定义了两个端对端的传输协议：传输控制协议（TCP，Transport Control Protocol）和用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）。其中TCP 协议是面向连接的，UDP 协议是无连接的。

在用户数据报协议中，接收端向发送端提交发送数据的请求和收到数据的情况等信息，是双向的信息传输。

1.3 遥测信息传输

目前，常规武器的遥测信息传输是弹箭端到地面站的单向传输，不支持双向传输。在遥测信息传输时，要求弹箭端的设备以恒定的信息传输速率发送数据，允许有一定程度的数据丢失和误码，但不允许有过大的时延。

2 基于802.11b协议的单向遥测信息传输方法

2.1 802.11b协议的实现

基于802.11b协议的遥测信息传输，系统原理框图如图2所示。

图2 基于802.11b协议的遥测信息传输方法原理框图Fig.2 Telemetry Transmission Method Based on 802.11b

传感器采集的原始数据，经过电路转换以及PCM 编码后，PCM 码流通过无线网络进行传输。接收端接收到数据后，进行PCM 解码和分路可获得原始数据。无线网络发射和接收模块是采用Ralink公司RT3070芯片为核心实现的，RT3070芯片实现了802.11b协议，最高通信速率可达到11 Mb／s。无线网络发射和接收模块电路设计如图3所示。

其中稳压器向USB接口电路提供5V 的电压，向RT3070芯片和功率放大器提供3.3V 的电压，发射时，PCM 码流通过USB 接口输入到RT3070芯片，RT3070芯片将数据编码后，经过带通滤波器及功率放大器，数据通过天线发送。接收时，RT3070芯片完成数据的解码，还原出PCM 码流，通过USB接口输出。

图3 基于RT3070的无线网络收发模块Fig.3 Wireless Network Module Based on RT3070

2.2 遥测信息的单向传输

用户数据报协议没有拥塞控制功能，当出现拥塞时不会改变发送端的发送速率，这就能满足遥测信息传输的实时性的要求。但是用户数据报协议采用双向信息传输，必须进行修改，满足遥测信息传输所需要单向传输的要求。

由于用户数据报协议具有双向发送数据的功能，因此采用数据包丢掉的方式，将发送端的数据接收功能屏蔽，将接收端数据发送功能屏蔽掉。

接收端在接收到数据后，会自动产生ACK（Acknowledge Character）信号，告知发送端已经接收到数据，如图4所示。这一过程违背了单向传输要求，所以在接收端将发送ACK 信号的功能屏蔽。发送端具有超时重发的功能，发送端接收不到ACK 信号时，会不断地重发数据包，导致系统不可用，因此在发送端将等待ACK 信号超时重发功能屏蔽。

图4 用户数据报协议中的双向信息传输Fig.4 Information Exchange in UDP

综上所述，要实现单向传输需要对用户数据报协议进行以下功能修改：

1）屏蔽发送端数据接收功能，屏蔽接收端数据发送功能；

2）屏蔽接收端ACK 信号发送功能；

3）屏蔽发送端等待ACK 信号超时重发功能。

基于802.11b协议的单向遥测信息传输方法，采用802.11b协议，实现了更高的信息传输速率，通过使用修改后的传输层用户数据报协议，实现单向的遥测信息传输，信息传输速率最高可达到11Mb／s。

3 验证

基于以上设计方案，搭建了硬件测试平台，对系统进行了测试。测试系统框图如图5所示。无线网络收发模块通过USB接口连接到计算机上，可以通过计算机控制接收和发射数据。发射端输出信号直接推动8 W 功率放大器，发射天线采用S 波段天线，增益为0dB，接收端为高增益定向天线，增益为24dB。工作频率选择靠近S波段的无线网络1信道（2 412MHz），采用修改后的用户数据报协议实现点到点单向的传输方式传输信息。测试中分别选择1km、2km、3km 等不同距离进行性能测试，发射端和接收端之间无障碍物遮挡，每次发送10 000帧数据，分别测试两次。传输速率应高于传统的PCM／FM 体制，为了保证传输的可靠性，根据以往产品的要求，误码率不能高于10-4。

图5 测试系统框图Fig.5 Testing System

通过对发送端和接收端数据进行对比计算，得到基于802.11b协议的单向遥测信息传输误码率。同时用PCM／FM 体制进行对比实验，传输同样的一组数据，得到PCM／FM 体制的传输速率。实验的数据如表1所示。

表1 单向遥测信息传输试验信息传输速率Tab.1 Data Transmission Speed

从表1中可分析出，基于802.11b协议的单向遥测信息传输方法速率高于传统的PCM／FM 体制；信息传输速率随着传输距离的增大会有所下降，平均信息传输速率约为5 Mb／s，最高信息传输速率可达到约8 Mb／s。误码率均小于1.0×10-4，能够满足信息传输可靠性的要求。

实验验证表明，本文提出的基于802.11b协议的单向遥测信息传输技术传输性能良好，高于传统PCM／FM 体制的传输速率，能够满足遥测信息传输更高速率的要求，同时还具有体积小、成本低、功耗低等特点。

4 结论

本文提出了基于802.11b协议的单向遥测信息传输方法，该方法通过基于802.11b协议的无线网络实现更高的信息传输速率，通过修改并使用传输层的用户数据报协议，实现单向的遥测信息传输。实验验证表明，该单向遥测信息传输的传输性能良好，高于传统PCM／FM 体制的传输速率，信息传输速率最高可达到11 Mb／s，能够满足遥测信息传输更高速率的要求。

［1］唐强，骆海涛，郑小燕，等.基于无线传感器网络节点的高速无线组网传输方法［J］.探测与控制学报，2014，36（2）：69-73.

［2］许齐敏.高速无线数据采集终端的设计与优化［D］.秦皇岛燕山大学，2013.

［3］Specifications of the IEEE 802.11bSystem［M］.New-York：IEEE，1999.

［4］王忠锋，高路，王宏.基于802.11b 的无线现场设备通信协 议 的 研 究［J］.计 算 机 应 用 研 究，2003，20（11）：149-151.

［5］杨远红.无线局域网（802.11b）监测设备MAC 层及TCP／IP 层 的 研 究 与 实 现［D］.北 京：北 京 邮 电 大学，2006.